Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Afyon Kocatepe University Journal of Science

Transkript

1 Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Afyon Kocatepe University Journal of Science AKÜ FEBİD 12 (2012) (53-57) AKU J. Sci. 12 (2012) (53-57) Bitkilerde DNA Barkotları Ertuğrul FİLİZ 1 ve İbrahim KOÇ 2 1 Düzce Üniversitesi Çilimli Meslek Yüksek Okulu, Bitkisel ve Hayvansal Üretim Bölümü, Çilimli, Düzce 2 Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Gebze, Kocaeli e-posta: ertugrulfiliz@gmail.com Geliş Tarihi: ; Kabul Tarihi: Anahtar kelimeler DNA barkot; Bitki; Plastid; Kodlama yapmayan bölge. Özet DNA Barcodes in Plants DNA barkot DNA dizisi temelli bir sistem olup bir veya birkaç lokus kullanılarak türlerin tanımlanmasını sağlar. Yani türlerin tanımlanmasında DNA daki standart bir bölgenin dizilenmesini gerektirmektedir. Hayvanlar aleminde, mitokondriyal sitokrom c oksidaz geni evrensel barkodu olarak kullanılırken bitki barkotları için hangi bölge veya bölgelerin kullanılacağı konusunda bir uzlaşma bulunmamaktadır. Bitkilerde, mitokondriyal genlerin nükleotid değişim oranları düşük olduğundan bitki barkodu olarak uygun değillerdir. Günümüzde, Yaşam Barkot Konsorsiyumu na (CBOL) bağlı farklı bitki çalışma grupları çekirdek ve plastid genomundaki farklı barkot bölge adaylarını test etmektedirler. Bu test edilen bölgelerin çoğu plastid genom bölgeleridir ki örneğin kodlama yapan bölgelerden matk, rbcl, rpob, rpoc1, kodlama yapmayan bölgelerden atpf atph, trnh psba ve psbk psbi bölgeleridir. Bununla birlikte, çekirdek gen bölgelerinden Transkripsiyonu Yapılan İç Ara Bölgeler (ITS1 ve ITS2) yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, bilim dünyasındaki en yeni bitki barkot çalışmaları ve yönelimleri araştırılmıştır. Abstract Afyon Kocatepe Üniversitesi Key words DNA barcoding; Plant; Plastid; Noncoding region. DNA barcode which is a DNA sequence-based identification system, supports that may be used one locus or several loci for species identification. Otherwise, it implies sequencing a standard region of DNA for species identification. In animal kingdom, cytochrome c oxidase 1 (called coxi or COI) gene was used as universal barcode while there was no consensus that which region or regions should be used for barcoding plants. In plants, mitochondrial genes have low nucleotide substitution rates. Thus, these genes were not convenient for plant barcoding. Nowadays, different plant working groups in CBOL (Consortium for the Barcode of Life s) tested various putative barcode regions in plastid and nuclear genome. The most of them were plastid regions such as matk, rbcl, rpob, rpoc1 in coding regions, atpf atph, trnh psba, and psbk psbi in noncoding regions. Besides, nuclear gene regions such as ITS1 and ITS2 (Internal Transcribed Spacer) were used widely. In this study, we explore the latest plant barcoding studies and tendencies in scientific world. 1. Giriş DNA barkot kavramı ilk olarak Hebert ve ark. (2003) tarafından kullanılan bir kavram olup daha sonraları bilim dünyasının ilgisini çekmeyi başarmıştır. DNA barkotları (DNA taksonomi), biyolojik çeşitliliğin ve türlerin belirlenmesinde standart DNA bölgelerinin kullanılmasına dayalı yeni ve yararlı bir yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Yaklaşık olarak 1.7 milyon tür Linnaea sistemi altında tanımlanmış fakat yaklaşık 10 milyon tür ile 100 milyon tür arasındaki canlılarında bilinmediği tahmin edilmektedir (Hawksworth and Kalin-Arroyo 1995).

2 Mitokondriyal sitokrom c oksidaz (cytochrome c oxidase 1 = COI veya cox1) gen dizisi hayvansal organizmalar için güncel olarak DNA barkodu olarak kullanılmaktadır (Hebert et al. 2003). Fakat mitokondriyal COI geni, düşük nükleotid değişim oranından dolayı bitkilerde DNA barkot uygulamaları için çok uygun değildir (Mower et al. 2007). Doğal olarak bitki barkot kaynağı olarak plastid (cpdna) ve çekirdek genomu (nrdna) aday olarak ortaya çıkmaktadır. Bitki barkot seçimini kolaylaştırmak ve resmiyet kazandırmak için, Yaşam Barkot Konsorsiyumu (CBOL=Consortium for the Barcoding of Life) adındaki kuruluş farklı çalışma gruplarıyla değişik barkot bölgelerini araştırmaktadır (Hollingsworth et al. 2009). Ayrıca, Yaşam Veritabanı Barkot Sistemi (BOLD System: The Barcode of Life Database System) canlıların güncel barkot verilerine göre bilim dünyasına hizmet etmektedir (Int Kyn. 1). Planlanan evrensel ölçekteki ilk barkot kampanyası çalışmasında, farklı çalışma gruplarının katkılarıyla kuş türü ile yaklaşık balık türünün bitirilmesi hedeflenmektedir (Hebert and Gregory 2005). DNA barkot kullanıcılarını başlıca iki kategoriye ayırmak mümkündür ki bunlar taksonomistler ve diğer alanlardaki (adli bilimler, biyoteknoloji, gıda endüstrisi vb.) bilim insanlarıdır (Chase et al. 2005). İdeal barkot sisteminin sahip olması gereken bir takım kriterler gerekmektedir ki bunlardan birincisi, türleri ayırabilecek yeterliliğe sahip olması gerekmektedir. İkinci olarak, çok farklı bitki taksonları için kullanılabilecek standart bir DNA bölgesi olması gerekmektedir. Üçüncü olarak, hedef DNA bölgesi türlerin ait olduğu taksonomik grupları (cins, aile vb.) kolaylıkla ayırt edebilecek filogenetik bilgiyi taşımalıdır. Dördüncü olarak barkot bölgesi, çok güvenilir ve korunaklı olmalı, DNA çoğaltımı ve dizilenmesi açısından da uygun olmalıdır. Son olarak, hedef DNA bölgesi degrade DNA çoğaltımına izin verebilecek uzunlukta olmalıdır (Taberlet et al. 2007). DNA barkot uygulamalarında, çeşitli canlılardan barkot dizileri elde edilerek bu DNA dizileri filogenetik ağaçların oluşturulmasında kullanılır. Sonuçta, yakın ilişkili bireylerin aynı gruplarda toplanması öngörülür ve her bir ayrı grup farklı bir tür olarak düşünülür (Dasmahapatra and Mallet 2006). Bu çalışmada, son yıllarda bitkiler aleminde gerçekleştirilen DNA barkot çalışmaları değerlendirilerek DNA barkot uygulamalarındaki gelişmelerin araştırılması hedeflenmiştir. 2. Bitkilerde DNA Barkot Uygulamaları Bitkilerde, plastid genomundaki birkaç bölge (rbcl, rpoc1, rpob, ycf5, psba-trnh, trnl, atpf-atph, psbkpsbi) ile Transkripsiyonu Yapılan İç Ara Bölgeler (ITS) bitki DNA barkod adayları arasında dikkat çekmektedir (Kress et al. 2005; Kress et al. 2007; Ford et al. 2009). Yaşam Barkot Konsorsiyumu çalışmalarına göre, dört kodlama bölgesi (matk, rbcl, rpob ve rpoc1) ve üç kodlama yapmayan bölge (atpf atph, trnh psba ve psbk psbi) olmak üzere toplam yedi bölge güçlü adaylar olarak görülmüş fakat farklı çalışma grupları arasında herhangi bir uzlaşma oluşmamıştır (CBOL Plant Working Group, 2009). CBOL bitki çalışma grubu, rbcl+matk kombinasyonundan oluşan plastid gen bölgelerini ek markörlerle birlikte bitki barkot adayları olarak tavsiye etmiştir (Hollingsworth et al. 2011). rbcl barkodu 599 nükleotid uzunluğunda ve matk ise 841 nükleotid uzunluğunda gen bölgeleridir. matk bölgesi bitkilerde en çok çeşitlilik gösteren plastid genomundaki kodlama bölgelerinden biridir (Hilu and Liang 1997). matk bölgesinin PCR reaksiyonlarında var olan primer setleriyle etkili çoğaltımı yapılamadığı buna karşın rbcl gen bölgesinin orta seviyede ayırıcı güce sahip olmasına rağmen pek çok kara bitkisinde çoğaltımının ve dizilenmesinin daha kolay olduğu tespit edilmiştir. İki belirtecin beraber ayırım gücünün daha güçlü olduğu ve herhangi iki belirteç kombinasyonunun bu ikiliden çok daha güçlü sonuçlar vermediği ileri sürülmüştür (CBOL Plant Working Group, 2009). rbcl+matk bölgelerinin dışında kodlama yapmayan genler arası bölge trnhpsba plastid barkot belirteci olarak yaygın kullanılmaktadır. trnh-psba plastid barkot markörü Alnus (Ren et al. 2010), Quercus (Piredda et al. 2010) ve Salix (Von Crautlein, 2011) gibi türlerde rbcl+matk belirteç kombinasyonundan daha başarılı olduğu görülmüştür. atpf-atph ve psbk- AKÜ FEBİD 12 (2012)

3 psbi integenik aralayıcı bölgeler ikinci Yaşam Barkot konferansında bitki barkot adayları olarak önerilmiştir. CBOL bitki çalışma grubu, psbk-psbi bölgesinin türler arası ayrım gücünün yüksek olduğunu fakat dizilenme kalitesi ve evrenselliğinin düşük olduğunu; ayrıca atpf-atph bölgesinin ayırım gücünün, dizilenme kalitesinin ve evrenselliğinin düşük olduğunu tespit etmiştir (Hollingsworth et al. 2011). Dişbudak (Fraxinus) türlerinde matk, rpoc1, rpob, trnh-psba ve rpl32-trnl plastid genleri kullanılarak yapılana barkot çalışmasında çoğaltılan bölgelerin dizilenmesi sonucunda en yüksek tür ayrım oranı % 88.3 ile trnh-psba bölgesinden, en düşük oran ise % 78.8 ile rpob bölgesinden elde edilmiştir. matk/trnh-psba kombinasyonunun trnh-psba kombinasyonundan daha iyi sonuç vermediği anlaşılmıştır. Bu sonucunda, matk dizilerinin düşük seviyede polimorfizm göstermesinden kaynaklandığı düşünülmektedir (Arca et al. 2012). Amazon ağaçlarının tanımlanmasıyla ilgili barkot çalışmasında, plastid kodlama bölgelerinden rbcla, rpoc1, rpob, matk, ycf5; kodlama yapmayan bölgelerden trnl, psbatrnh ve çekirdek bölgesi ITS dizileri kullanılmıştır. Yüksek kaliteli diziler (% 90 üzeri) rpoc1, rbcla, rpob ve trnl belirteçlerinden, en yüksek çeşitlilik oranları (polimorfizm) ise ITS, psba-trnh, trnl ve matk bölgelerinden elde edilmiştir. Ayrıca, en kötü tür seviyesindeki ayırım gücü rpoc1 plastid bölgesinden elde edilmiştir (Gonzalez et al. 2009). Panama da tropik ormanlarda 296 odunsu ağaç türüyle yapılan çalışmada, rbcla, matk ve trnhpsba bölgeleri kullanılarak yapılan barkod çalışmasında PCR ve dizileme başarısında en yüksek oranı rbcl gen bölgesi (%93) göstermiştir. BLAST analizleri sonucunda tür seviyesindeki eşleşme başarısında en yüksek değerler sırasıyla matk (99%), trnh-psba (95%) ve rbcla (75%) olarak ortaya çıkmıştır. Üç lokus (matk- trnh-psba- rbcla) kullanılarak yapılan tür tanımlanmasında en yüksek oran (%98) elde edilirken bunu sırasıyla trnhpsba/rbcla (%95) ve matk-rbcla (%92) kombinasyonları takip etmiştir (Kress et al. 2009). Karasal bitkilerde DNA barkot çalışmalarında, birbirinin tamamlayıcısı olarak kullanılan iki lokusdan kodlama yapan rbcl bölgesi ile kodlama yapmayan trnh-psba bölgesi kullanılarak gerçekleştirilen araştırmada PCR başarısı trnh-psba bölgesi için %95.8, rbcl bölgesi için %92.7 olarak tespit edilmiştir. Bu iki bölgenin kombinasyonu sonucu tür seviyesindeki ayrım gücünün %95 civarında olduğu da görülmüş ve bu iki bölgenin kombinasyonuyla yapılan analizler bitki barkot çalışmaları için tavsiye edilmiştir (Kress and Erickson 2007). Kloroplast kodlama bölgesi olan rbcl gen dizisinin DNA barkodu olarak test edildiği çalışmada GenBank tan nin üzerinde rbcl dizisi indirilerek biyoenformaik analizler gerçekleştirilmiştir. rbcl gen dizisinin türleri ayırma gücünün yaklaşık %85 olduğu tespit edilmiş ve tamamlayıcı bir barkot belirteç bölgesine de ihtiyaç duyulduğu belirtilmiştir (Newmaster et al. 2006). Kloroplast trnl intron (UAA) bölgesi, bitki barkot adayı olarak Taberlet ve ark. (2007) tarafından değerlendirilmiş ve gerekli biyoenformatik destekler alınarak kontrol edilmiştir. Yapılan çalışma sonucunda, açık bir şekilde trnl intron bölgesinin bitki türleri için iyi bir barkot bölgesi olmadığı ve yakın türleri ayırmada yetersiz kaldığı tespit edilmiştir. Kloroplast genom bölgelerinden kodlama yapan rbcl, matk, rpoc1, rpob ve 23S rdna; kodlama yapmayan trnh-psba, atpf atph ve psbk psbi ve mitokondriyal cox1 gen bölgesi olmak üzere toplam 9 bölge kullanılarak yakın türlerin ayrımıyla ilgili karşılaştırma çalışması yapılmıştır. Mitokondriyal cox1 ve plastid 23S rdna bölgelerinin tür ayırma güçleri (sırasıyla %7 ve %10) en düşük bulunurken matk ve trnh-psba bölgelerinin tür ayrım güçleri (sırasıyla %56 ve %59) en yüksek seviyede bulunmuştur. İkili kombinasyon analizlerinde rbcl+trnh-psba veya matk+atpf atph ikili lokusları %64 oranla en yüksek değeri gösterirken, üçlü kombinasyonlarda matk+atpf atph+psbk psbi %69 oranla en yüksek değeri göstermiştir. Sonuç olarak bitki barkotlarının çok sayıda bölge içermeleri gerektiği öngörülmüştür (Fazekas et al. 2008). Çekirdek ITS dizileri bitki barkotlarını desteklemekte kullanılan ve direkt dizilenmeye uygun seçeneklerin başında gelmektedir (Thomas, 2009). Tıbbi bitkilerle ilgili barkot çalışmasında, psba-trnh, matk, rbcl, rpoc1, ycf5, ITS2 ve ITS1 bölgeleri kullanılarak 8557 tıbbi AKÜ FEBİD 12 (2012)

4 bitki DNA dizisi kullanılmıştır. ITS2 verilerinin 6600 den fazla tür için uygun olduğu, özellikle çekirdek ITS2 bölgesi çekirdek ITS1 bölgesine oranla daha korunaklı ve çoğaltım ürünleri açısından daha tahmin edilebilir bilgiler sunduğu saptanmıştır. ITS2 bölgesinin tıbbi bitkilerde evrensel ölçekte bir barkot olabilecek potansiyele sahip olduğu düşünülmüştür (Chen et al. 2010). 3. Sonuç İdeal bir barkot bölgesinin, tek bir evrensel primer çiftiyle elde edilebilen, çift yönlü olarak dizilenebilen ve maksimum seviyede tür ayırım gücüne sahip olması beklenmektedir (CBOL Plant Working Group, 2009). Bitki DNA barkot araştırmaları günümüzde çok hızlı bir şekilde devam etmekte olup hala herhangi bir uzlaşma oluşmamıştır. Barkot çalışmaları günümüzde iki ana kategoride devam etmektedir ki bunlardan birincisi tür temelli taksonomik belirlemelerde çok iyi aydınlatılamamış türlerin taksonomi bilgelerine destek sağlamak, ikincisi ise tanımlanmayan türlerin aydınlatılmasına yardımcı olmaktır (Hollingsworth et al. 2011). Ayrıca, DNA barkotları tohumlu bitkilerde türlerin daha iyi anlaşılması ve bazı kriptik türlerin keşfine yönelikte faydalar sağlamaktadır (Ragupathy et al. 2009). DNA barkot uygulamaları, filogenetikten ekolojik genomiğe kadar çok geniş bir alanda DNA araştırmaları için insanlara yeni fırsatlar sunmaktadır (Kress and Erickson 2008). Bitki barkot çalışmalarında, özellikle kloroplast DNA bölgeleri (kodlama yapan veya yapmayan) çok uygun gözükmekte olup bunun yanında çekirdek ribozomal ITS bölgeleri de barkot çalışmalarında aday olarak kullanılmaktadır. Buna karşın özellikle çoklu lokus barkot sistemi (MBC: Multi-Locus Barcode) güvenirliliği artırma adına değişik markörlerin kombinasyonlarına izin vermektedir (Chase et al. 2005). Türkiye, bitkisel çeşitlilik açısından oldukça zengin bir ülkedir ve bitki örtüsünde bulunan yaklaşık taksonun %35 nin endemik olması Türkiye yi bitki genetik kaynakları açısından çok değerli yapmaktadır (Vural, 2003). Ülkemiz, çeşitlilik ve orijin açısından Akdeniz ve Yakın Doğu Merkezleri ni barındırmaktadır (Vavilov, 1994). Zengin bitkisel gen kaynaklarımızın korunması ve değerlendirilmesi adına yapılacak çalışmalar çok önem arz etmektedir. Bu bağlamda, yukarıda bahsettiğimiz bitki barkot çalışmalarının ülkemizdeki sınıflandırma ve çeşitlilik çalışmalarına çok büyük katkılar sunacağı kaçınılmazdır. Özellikle taksonomik açıdan problemli türlerin aydınlatılması için bitki barkot çalışmalarının ülkemiz için ne kadar önemli olduğu ortaya çıkmaktadır. Yapılan veya yapılacak olan bitki barkot çalışmaları hızlandırılarak bitkisel gen kaynağı havuzumuz değerlendirilmeli ve her bir bitki türümüzün resmi olarak barkot bilgileri oluşturulup ulusal veri tabanımızda saklanmalıdır. Kaynaklar Arca, M., Hinsinger, D.D., Cruaud, C., Tillier, A., Bousquet, J. and Frascaria-Lacoste, N., Deciduous Trees and the Application of Universal DNA Barcodes: A Case Study on the Circumpolar Fraxinus. PLoS ONE, 7(3): e doi: /journal.pone CBOL Plant Working Group, A DNA barcode for land plants. PNAS, 31, Chase, M.W., Salamin, N., Wilkinson, M., Dunwell, J.M., Kesanakurthi, R.P., Haidar, N. and Savolainen, V., Land plants and DNA barcodes: short-term and long-term goals. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci., 360, Chen, S., Yao, H., Han, J., Liu, C., Song, J. et al., Validation of the ITS2 region as a novel DNA barcode for identifying medicinal plant species. PLoS ONE, 5, e8613 Dasmahapatra, K.K. and Mallet, J., DNA barcodes: recent successes and future prospects. Heredity, 97, Fazekas, A.J., Burgess, K.S., Kesenakurti, P.R., Graham, S.W., Newmaster, S.G. et al., Multiple Multilocus DNA Barcodes from the Plastid Genome Discriminate Plant Species Equally Well. Multiple Multilocus DNA Barcodes from the Plastid Genome Discriminate Plant Species Equally Well. PLoS ONE, 3(7), e2802. doi: /journal.pone Ford, C.S., Ayres, K.L., Toomey, N., Haider, N., Van Alphen Stahl, J. et al., Selection of candidate coding DNA barcoding regions for use on land plants. Bot J Linn Soc, 159, Gonzalez, M.A., Baraloto, C., Engel, J., Mori, S.A., Petronelli, P. et al., Identification of Amazonian Trees with DNA Barcodes. PLoS ONE, 4(10), e7483. doi: /journal.pone Hawksworth, D.L. and Kalin-Arroyo, M.T., Magnitude and distribution of biodiversity. In global biodiversity assessment. Edited by V.H. Heywood. Cambridge University Press, AKÜ FEBİD 12 (2012)

5 Hebert, P.D.N., Cywinska, A., Ball, S.L. and DeWaard, J.R., Biological identifications through DNA barcodes. Proc R Soc B, 270, Hebert, P.D.N. and Gregory, T.R., The Promise of DNA Barcoding for Taxonomy. Syst. Biol., 54, Hilu, K.W. and Liang, H The matk gene: sequence variation and application in plant systematics. American Journal of Botany, 84, Hollingsworth, P.M., Graham, S.W. and Little, D.P., Choosing and Using a Plant DNA Barcode. PLoS ONE, 6(5), e doi: /journal.pone Kress, W.J., Wurdack, K.J., Zimmer, E.A., Weigt, L.A. and Janzen, D.H., Use of DNA barcodes to identify flowering plants. Proc Natl Acad Sci USA, 102, Kress, W.J. and Erickson, D.L., A two-locus global DNA barcode for land plants: the coding rbcl gene complements the non-coding trnh-psba spacer region. PLoS ONE, 2, e508. Kress, W.J. and Erickson, D.L., DNA barcodes: Genes, genomics, and bioinformatics. PNAS, 105, Kress, W.J., Erickson, D.L., Jones, F.A., Swenson, N.G., Perez, R., Sanjur, O. and Bermingham, E., Plant DNA barcodes and a community phylogeny of a tropical forest dynamics plot in Panama. PNAS, 106, Mower, J.P., Touzet, P., Gummow, J.S., Delph, L.F. and Palmer, J.D., Extensive variation in synonymous substitution rates in mitochondrial gene of seed plants. BMC Evol Biol, 7, 135. doi: / Newmaster, S.G., Fazekas, A.J., and Ragupaty, S., DNA barcoding in land plants: evaluation of rbcl in a multigene tiered approach. Can. J. Bot., 84, Piredda, R., Simeone, M.C., Attimonelli, M., Bellarosa, R., and Schirone, B., Prospects of barcoding the Italian wild dendroflora: oaks reveal severe limitations to tracking species identity. Molecular Ecology Resources, 11, Ragupathy, S., Newmaster, S.G., Murugesan, M., and Balasubramaniam, V., DNA barcoding discriminates a new cryptic grass species revealed in an ethnobotany study by the hill tribes of the Western Ghats in southern India. Molecular Ecology Resources, 9, Ren, B.Q., Xiang, X.G., and Chen, Z.D., Species identification of Alnus (Betulaceae) using nrdna and cpdna genetic markers. Molecular Ecology Resources, 10, Taberlet, P., Coissac, E., Pompanon, F., Gielly, L., Miquel, C., Valentini, A. et al., Power and limitations of the chloroplast trnl (UAA) intron for plant DNA barcoding. Nucleic Acids Research, 35, No. 3. Thomas, C., Plant barcode soon to become reality. Science, 325, Vavilov, N., Origin and Geography of Cultivated Crops. Cambridge Univ. Press. Von Crautlein, M., Korpelainen, H., Pietilainen, M., and Rikkinen, J., DNA barcoding: a tool for improved taxon identification and detection of species diversity. Biodiversity and Conservation, 20, Vural, M., Türkiye nin tehlike altındaki bitkileri, FAO/BM Tematik Grubu, Türkiye de Biyolojik Çeşitlilik ve Organik Tarım Çalıştay Raporu, İnternet kaynakları 1. ( ) AKÜ FEBİD 12 (2012)